高分子材料對車內(nèi)VOC含量的影響及控制
一、高分子材料對VOC產(chǎn)生和釋放過程中的影響
1、VOC的產(chǎn)生機(jī)理
汽車內(nèi)飾中高分子材料的存在是導(dǎo)致車內(nèi)VOC含量超標(biāo)的重要因素，其原因主要有以下幾點：
首先，從高分子材料本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性來看，高分子在高溫高壓條件下以及加工過程中的剪切力作用下會誘導(dǎo)高分子出現(xiàn)斷鏈、降解等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生小分子，揮發(fā)后產(chǎn)生VOC或氣味。其次，就目前使用的材料而言，大部分以共混物的形式存在，單一的聚合物已經(jīng)難以滿足人類的日常使用需求。為了獲得綜合性能優(yōu)異的復(fù)合材料，在共混物的生產(chǎn)過程中通常需要添加各種助劑或改性劑如增韌劑、增塑劑、抗靜電劑、光穩(wěn)定劑以及阻燃劑等。由此，高分子復(fù)合材料在使用過程中各類小分子添加劑容易產(chǎn)生滲出現(xiàn)象，進(jìn)而誘導(dǎo)VOC或氣味的產(chǎn)生。最后，高分子材料在合成過程中也可能會存在殘留的單體、溶劑以及催化劑等，這些物質(zhì)在原材料后續(xù)的加工或使用過程中容易出現(xiàn)滲出現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致VOC含量的提高。
2、VOC的散發(fā)機(jī)理
了解VOC的產(chǎn)生和散發(fā)機(jī)理對于控制車內(nèi)VOC含量具有重要的意義。研究表明，VOC的散發(fā)主要由“材料內(nèi)部的擴(kuò)散”和“從材料表面到周圍空氣的散發(fā)”兩個過程組成。VOC在材料內(nèi)部的擴(kuò)散過程是指在溫度、濃度和壓力梯度等的共同作用條件下，VOC從材料芯部逐漸擴(kuò)散至材料表面層的過程。其擴(kuò)散過程可用菲克第二定律(FICK’S SECOND LAW)來進(jìn)行描述，如公式(1)所示
其中，Ct和CA分別是VOC在空氣和材料中的濃度；D為質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，每種化合物的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)不同，與其相對分子質(zhì)量、分子體積、環(huán)境溫度有關(guān)；∂是在x、y、z坐標(biāo)軸上的拉普拉斯算子。
VOC從材料表面擴(kuò)散的過程則會受多種因素影響，如對流、蒸發(fā)等。只要在材料表面和周圍空氣中的VOC濃度存在差異，就會誘導(dǎo)表面散發(fā)現(xiàn)象的出現(xiàn)。存在濃度梯度，就會發(fā)生表面散發(fā)現(xiàn)象。其擴(kuò)散過程可由方程(2)進(jìn)行描述：
其中，kA是質(zhì)傳遞系數(shù)；CA和SA分別是周圍空氣中和材料表面的物質(zhì)A的濃度；EA是物質(zhì)A的表面散發(fā)率。
3、影響車內(nèi)VOC含量的因素
由1.2中VOC在車內(nèi)的產(chǎn)生和散發(fā)機(jī)理可知，VOC的含量與環(huán)境溫度、濕度、氧化劑的存在以及材料的表面特性等有關(guān)。其具體的影響情況如下。
（1）環(huán)境溫度
環(huán)境溫度對車內(nèi)VOC含量的影響主要在于高分子材料會隨著溫度的升高出現(xiàn)降解或小分子的滲出現(xiàn)象。同時，當(dāng)溫度高于各種揮發(fā)性有機(jī)化合物的沸點時(各種揮發(fā)性有機(jī)化合物的沸點如表1所示)，車內(nèi)VOC的含量會進(jìn)一步增加，但是每種有機(jī)物的變化是不同的，從表1可以發(fā)現(xiàn)甲醛的沸點較低，在室溫條件下甲醛的含量會高于其他幾種化合物，苯乙烯等沸點較高的化合物在室溫條件下則比較低或近乎沒有。
（2）環(huán)境濕度
環(huán)境濕度對VOC含量的影響與各類揮發(fā)性有機(jī)物的溶解性有關(guān)。隨著濕度的增加，親水性物質(zhì)會溶解一部分在水中，從而導(dǎo)致溶解性較好的物質(zhì)的含量逐漸減小。各類VOC氣體的溶解性與沸點如表1所示，由表1 中可以發(fā)現(xiàn)甲醛在水中的溶解性相對最好，因此隨著濕度的增加，甲醛的含量不會與其他幾種有機(jī)化合物類似出現(xiàn)明顯的上升趨勢，而是有一部分甲醛溶于水，從而導(dǎo)致甲醛含量的變化不明顯或出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。
（3）氧化劑
在氧化劑的作用下，會促進(jìn)材料的氧化分解，在高空氣流速的條件下會進(jìn)一步促進(jìn)VOC的產(chǎn)生。如汽車中常用的地毯，在氧化劑的作用下，地毯會與其吸附的 VOC發(fā)生非均勻反應(yīng)，若地毯上吸附的VOC越多，發(fā)生反應(yīng)的幾率越大，進(jìn)而導(dǎo)致車內(nèi)VOC含量提高。
二、控制VOC含量的方法
VOC是汽車行業(yè)的重要樞紐，它不僅關(guān)系著每位消費者，還將與汽車相關(guān)的上下游廠商緊密聯(lián)系在一起。VOC含量的高低與人類身體健康息息相關(guān)，將車內(nèi)VOC含量控制在較低水平已經(jīng)成為廣大消費者的迫切要求。目前，改善汽車內(nèi)飾材料對車內(nèi)環(huán)境的影響主要從以下幾個方面進(jìn)行控制：
1、從源頭上控制高分子原材料的VOC含量。即選擇更純凈的原材料，控制原材料中小分子的含量，如小分子助劑與改性劑的用量等，進(jìn)而研發(fā)具有低VOC含量的高分子材料。汽車內(nèi)飾材料的主要成分為PP和部分加工助劑以及改性劑，較多的研究者對PP進(jìn)行改性來改善材料的VOC含量。如黃等人通過將總揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC)的一種高效吸附劑添加到PP中，制備得到車用低TVOC含量的材料。通過添加高效吸附劑來除去材料的VOC方法中，由于吸附與解吸附是一個動態(tài)平衡過程，因而難以實現(xiàn)高效的改善材料中的VOC含量。通過氫調(diào)法在PP中添加除味母粒制備TVOC含量較低并且具有較高力學(xué)性能的材料。
2、完善高分子材料的后處理工藝。如方等人通過在材料后處理過程中增加一定的溫度和壓力以促進(jìn)原材料中VOC的排出，并在材料的加工過程中增設(shè)擠出機(jī)的真空脫揮裝置，盡可能除去揮發(fā)出的小分子物質(zhì)，降低使用過程中VOC的釋放。任等人通過在不同溫度條件下增設(shè)抽排風(fēng)烘烤工藝以改善車內(nèi)的VOC性能和氣味性，研究表明在65 OC條件下烘烤之后對VOC性能的改善效果較好。
3、車內(nèi)VOC含量超標(biāo)的另一個重要原因在于車內(nèi)的空氣流通率低使得車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物無法排出，由此，在汽車的設(shè)計過程中應(yīng)相應(yīng)的增加車內(nèi)的空氣流通率，例如調(diào)控車內(nèi)的空氣循環(huán)系統(tǒng)、優(yōu)化汽車天窗的設(shè)計等。
4、從消費者端進(jìn)行車內(nèi)VOC含量的控制。如空氣凈化技術(shù)，該方法中最常用的有物理法(活性炭吸附技術(shù))和化學(xué)法（光催化凈化技術(shù)）。光催化技術(shù)以操作簡便、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點備受大眾廣泛的關(guān)注，并在環(huán)境凈化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如矯等人通過制備不同孔徑尺寸的分子篩對車內(nèi)甲醛進(jìn)行吸附，結(jié)果表明分子篩對甲醛的吸附效果存在一個最優(yōu)的分子篩孔徑尺寸，在該孔徑尺寸下，分子篩對甲醛的吸附效果最好。研究了VOC含量隨時間的變化過程，結(jié)果顯示VOC的含量會隨著時間的延長而不斷減少，而各種物質(zhì)的變化量則不同，如由于吸附劑對不同VOC的吸附性差異會導(dǎo)致苯系物的衰減速率低于醛類物質(zhì)。由此，消費者購車后可將汽車放置一段時間再使用或汽車在出廠之后可放置一段時間以進(jìn)一步降低車內(nèi)的VOC含量。
三、結(jié)論
隨著汽車在世界各地的廣泛使用，車內(nèi)VOC含量已經(jīng)逐步成為人們購車的主要考量因素之一，由此，車內(nèi)空氣質(zhì)量成為汽車生產(chǎn)廠商關(guān)注的焦點，也是未來工作的重點。并且，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，輕量化將成為未來汽車發(fā)展的主流趨勢，高分子材料將逐漸大于金屬材料在汽車上的應(yīng)用[14]。研究車用高分子材料與車內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)系具有重要的研究意義。
目前高分子對車內(nèi)空氣質(zhì)量的影響主要在以下幾個方面：首先是高分子材料在加工過程中容易出現(xiàn)斷鏈、降解等現(xiàn)象從而導(dǎo)致車內(nèi)氣味的產(chǎn)生；其次是復(fù)合材料中各種加工助劑、改性劑以及高分子合成過程中殘留的小分子單體催化劑等在材料后續(xù)的使用過程中容易出現(xiàn)滲出等現(xiàn)象，從而提高車內(nèi)的VOC含量。針對車內(nèi)VOC含量的提高現(xiàn)象，解決方法主要有以下幾種：首先，從源頭上控制零部件原材料中VOC的含量，即選擇小分子含量低的原材料；其次，完善高分子材料的后處理工藝，使材料的VOC在加工過程中盡可能多的揮發(fā)出去，以改善材料在使用過程中小分子的滲出現(xiàn)象；同時，優(yōu)化車內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計，增大車內(nèi)空氣流通速率；最后，從消費者端控制VOC的含量，如利用空氣凈化技術(shù)、吸附劑等對車內(nèi)VOC進(jìn)行吸附。
